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1、一、发展历程 1956年(Bell Lab)发明了晶闸管 (SCR) ，标志着电力电子学科的建 立。 6500V/5000A/0.7V/2.510kHz 大容量 低频 第三讲 功率半导体器件 不具有自关断能力！ 电流开通增益小，只有5-10，且开通后需要维持 门极电流；开关频率最高只有5kHz。 电流型门极驱动！ 电流关断增益小，只有5，关断时要很大的门极 负电流。 1970年后期 1970年前期 GTR GTO 晶闸管的 不足之处 开关频率低！ 1980年代，出现了高频、压控型器件。 600V/200A/100kHz6500V/200A/50kHz 低压中小功率场合高压大功率场合 (Tosh
2、iba )发明 MOSFETIGBT 兼具GTO(耐压高、通态电流大)和MOSFET(电压型 控制，开关速度快)的优点；且不需外加驱动电路 。 1990年代后期出现了集成门极换向晶闸管(IGCT) 。 2000年代初出现了宽禁带半导体材料电力电子器件 。 包括：碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、金刚石。 优点：耐压高得多、通态电阻低得多，更好的导热 性能，更强的耐高温能力，极高的开关速度。 (4500V/4000A/10-50kHz) 德国艾赛斯美国安森美 美国飞兆（ 仙童） 德国英飞凌 （优派克） 美国国际整流器 美国威世意大利意法半导体 日本富士 德国西门子 二、分类 按驱动 方式 电流
3、型 驱动 电压型 驱动 按可 控性 不控 半控SCR GTR GTO MOSFET IGBT IGCT 全控 DIODE 三、二极管（DIODE） 1、反向恢复特性（reverse recovery） 2种载流子 反向恢复特性：正向导通的二极管在外电路施加反向 偏置电压后，二极管的电流下降到零，而后反向流通 。 将过剩少数载流子 移除出去，导致二 极管流过反向电流 。 反向恢复电荷Qrr 反向恢复损耗Prr 2、按反向恢复特性分类 普通整流二极管（ trr 5us） 快恢复二极管（ trr 1us） 超快恢复二极管（trr100ns ） 肖特基二极管（trr40ns） PN结二极管 势垒二极管
4、 SiC二极管（trr=0） 功 率 二 极 管 在开关频率低于1kHz的场合，使用普通整流二极管； 高频场合采用超快恢复二极管和肖特基二极管。 为了减小反向恢复损耗，必须减小二极管的反向恢复 时间！ 3、主要参数 额定正向平均电流 反向重复峰值电压 正向平均电压 二极管是负温度系数，即温度 越高，管压降越低！因此，二 极管绝对不能并联使用！ 正向平均电压（VF） 反向重复峰值电压（VRRM） 额定正向平均电流（IF(AV)） 反向偏置电压一般低于1/32/3 VRRM ，否则很可能 会被击穿！ 正向电流平均值一般低于1/22/3 IF(AV) ，否则会过 热！ 通态损耗Pon 【例1】下图中
5、的二极管选何种类型？已知Uin=220V， 50Hz，Uo=100V，fs=50kHz。 只有1种载流子 导电沟道 四、功率场效应晶体管（POWER MOSFET） 1、工作机理 反型电容效应 按导电机理 2、分类 增强型 耗尽型 N沟道 P沟道 MOSFET 按沟道载 流子类型 增强型 耗尽型 P沟道器件的导通电阻较N沟道器件高，故功率 MOSFET主要为N沟道型。 Ugs=0时沟道 就已经存在 Ugs0时沟道 才存在 3、特性曲线（N沟道增强型） 可变电阻区：当UgsUT 时，开始形成沟道。 沟道宽度 截止区：当UgsUgs-UT 时，电流不随Uds变化。 击穿区 在器件的饱和区中，维持
6、Uds不变，iD与Ugs的函数 关系。 【例2】如何构成恒 流型电子负载？ 4、等效电路 MOSFET的寄生二 极管是与生俱来的！ MOSFET不具有反 向阻断能力！ MOSFET的寄生二极管的反向恢复时间trr很大！ 反向续流场合，必须外并超快恢复二极管（SFRD） 或者肖特基二极管（SBD）！ 输入电容Ciss 输出电容Coss 密勒Crss MOSFET并联，可以减小RON，减小通态损耗；但是 增大了Cds，增大了开通损耗！ 通态损耗Pon 开通损耗Ps 容性开通 5、主要参数 漏极连续电流ID（100） 单管电流平均值一般低于1/22/3 ID，否则会过热！ 漏源击穿电压V(BR)DS
7、 漏源电压一般低于1/32/3 VDS ，否则可能会击穿！ 栅源电压VGS 驱动电压必须低于 VGS ，否则会击穿栅极绝缘层！ 门槛电压VGS（th） 驱动电压必须高于 VGS(th) ，否则无法导通！ 导通电阻RDS(on) 特点1：耐压越高， RDS(on)也越大！ 特点2：驱动电压越高， RDS(on)越小！ 特点3：RDS(on)为正温度系数，即温度越高，电阻越 大，且是成倍增大！ 正温度系数可实现并联管之间的自动均流！ MOSFET耐压一般低于600V！ CoolMOS (英飞凌公司) 耐压600V-800V 通态电阻下降为1/3 【例3】下图中的二极管选何种类型？已知Uin=5V，
8、 Uo=1V，Po=100W，fs=50kHz。 特点4：导通电阻具有双向导电性！ 取代SBD，实现同步整流！ S1和S2必须互补导通，且先关后开！ 6、驱动电路 【例4】MOSFET是电压型驱动器件，只要Vgs 超过门槛电压就能导通，为什么还需要专门的 驱动电路？ 驱动电路是控制电路与MOSFET的栅极之间的接口电路！ 直接驱动 适用于控制电路和MOSFET的源极共地的应用场合！ MOSFET并 联时的驱动 隔离驱动 适用于控制电路和MOSFET的源极不共地的应用场合！ 变压器隔离 优点：不需要独立电源！响应速度快！可提供反向偏 置电压，能可靠关断！便宜！ 缺点：由分立元件搭成电路，尺寸较大
9、；仅适用于占 空比变化不大的场合！ 【例5】若PWM信号的占空比为0.6，若要使Ugs达到 15V，则变压器的匝比为多少？在此若占空比减为0.4 ，则Ugs为多少？ 【例6】若PWM信号的占空比为1，是否可用上图进 行驱动？ 光耦隔离 三菱 富士 【例7】若PWM信号的占空比为1，是否可用上图进 行驱动？ 电容自举常用集成芯片IR2110 IR2110适用于同时驱动半桥、全桥的上下桥臂或者同 步整流的Buck变换器等。 主电路直流电压：Uin=500V 开关频率：fc=100kHz 驱动电源电压：Vcc=1020V 状态1：Q1断、Q2通；Q3通、Q4断。此时，S1关断 ，S2开通。+15V经
10、过DB给自举电容CB充电，直至 +15V。 状态2：Q1通、Q2断；Q3断、Q4通。此时，S2关断 。自举电容CB充经过Q1进行放电，直至S1完全开通 。 承受的反向电压：Urrm=Uin 正向平均电流：IF=Qgfs 只能选超快恢复二极管 自举电路参数选择 DB 占空比不能过小 五、绝缘栅晶体管（IGBT） 1、工作机理 由N沟道MOSFET驱 动的PNP型GTR！ 不具有反向流通能力； 关断时有电流拖尾现象！ 关断时，基区过剩载流子无处释放，只能缓慢复合！ 电流拖尾导致关断损耗很大，成为Ps的主要部分！ 2、特性曲线 UGE不变，iC和UCE的函数关系。 iC一定， UGE越大， UCE(
11、sat)越低！ 反向阻断电压极低， 在需要反向阻断的场合 必须串联二极管使用！ 逆阻型IGBT具有反向阻断能力！ 在器件的放大区中，维持UCE不变，iC与UGE的函 数关系。 3、等效电路 没有寄生二极管！ 个别厂家将IGBT和二极管集 成在一个芯片中，使之具备 反向续流能力！ 容性开通损耗远远小于MOSFET，可以忽略！ 电流密度为MOSFET的20倍 ，相同电流定额下的芯片面 积小，极间电容小！ 4、主要参数（以IXH35N120A为例） 集射击穿电压VCES 集电极连续电流IC90 开启电压VGE(th) 饱和压降VCE(sat) 特点1：在小电流时，为 负温度系数；在大电流 时为正温度
12、系数！ 特点2：饱和压降随温度 变化很小！ 特点3：饱和压降随Uge 的增大而减小！ 特点4：相同电压定额，同样电流下的通态压降低于 MOSFET！ 关断时间tfi和单次关断能耗Eoff 通态损耗Pon 关断损耗Ps 5、驱动电路 加快关断，减小电流拖尾导致的关断损耗！ 可靠关断，防止误开通！ IGBT关断时必须施加反向偏置电压，一般为-5-15V 。 栅极特性相同，因此驱动电路的结构类似，可以用相 同的驱动芯片！ 相同点 不同点 目的 IGBT和MOSFET的驱动电路有什么异同点？ 不具有短路保护功能！ EXB841 （IGBT高速驱动芯片 ） 具有过流保护功能！ 单电源供电！ 开关频率40kHz！ -5V的反向偏压！软关断！ 保护阈值 Uce=8V 六、小结 MOSFET IGBT 导通时相当于电阻 导通时为基本不变的电压降 可以并联 大电流时可以并联 有寄生二极管 没有寄生二极管 可以反向流通 不可以反向流通 不要反向偏置驱动 需要反向偏置驱动 不能长期短路 可抗10us的短路电流 容性开通 电流拖尾 低压中小功率 高压大功率 100kHz 40kHz 七、作业 1、查找一款MOSFET的高速驱动芯片，并详述其工 作原理。 2、MOSFET的短路保护电路！
